[논문 리뷰] The Formation of the First Quasars in the Universe

Joseph Smidt, Daniel J. Whalen외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초기 초거대 블랙홀, 예를 들어 ULAS J1120+0641과 SDSS J0100+2802와 같은 초광활성은하핵이 냉각된 밀도 높은 가스 유입을 통해 직접 붕괴 블랙홀이 형성되어, 빅뱅 이후 10억 년 이내에 급속도로 성장할 수 있음을 제안한다. 시뮬레이션은 관측된 질량, 빛의 세기, 이온화된 근접 영역, 항성 형성률, 금속 농도, 그리고 ALMA로 측정된 은하의 역학적 질량을 성공적으로 재현하였으며, 초기 블랙홀 성장을 조절하는 초신성 피드백이 존재한다.

ABSTRACT

Supermassive black holes are the central engines of luminous quasars and are found in most massive galaxies today. But the recent discoveries of ULAS J1120+0641, a 2 $ imes$ 10$^9$ M$_{\odot}$ black hole at $z \sim$ 7.1, and SDSS J0100+2802, a 1.2 $ imes$ 10$^{10}$ M$_{\odot}$ black hole at $z =$ 6.3, challenge current paradigms of cosmic structure formation because it is not known how quasars this massive appeared less than a billion years after the Big Bang. Here, we report new cosmological simulations of SMBHs with x-rays fully coupled to primordial chemistry and hydrodynamics that show that J1120+0641 and J0100+2802 can form from direct collapse black holes if their growth is fed by cold, dense accretion streams, like those thought to fuel the rapid growth of some galaxies at later epochs. Our models reproduce the mass, luminosity and ionized near zone of J1120+0641, as well as the star formation rate and metallicity in its host galaxy. They also match new observations of the dynamical mass of the central 1.5 kpc of its emission region just obtained with ALMA. We find that supernova feedback from star formation in the host galaxy regulates the growth of the quasar from early times.

연구 동기 및 목표

• 빅뱅 이후 약 7억 년 이내에 질량이 2×10⁹ M☉에 이르는 초거대 블랙홀이 어떻게 형성되었는지 설명하는 데 목적이 있다.
• 직접 붕괴 블랙홀이 ULAS J1120+0641과 SDSS J0100+2802와 같은 고적색 이동 우주에서의 초광활성은하핵을 충분히 빠르게 성장시킬 수 있는지 조사하는 데 목적이 있다.
• 냉각되고 밀도가 높은 가스 유입이 초기 천체 형성 시대에 블랙홀의 급속한 성장을 가능하게 하는지 테스트하는 데 목적이 있다.
• 은하의 주변 별 형성에서 비롯된 피드백이 초기 초광활성은하핵 성장에 어떻게 영향을 주는지 조사하는 데 목적이 있다.
• 빛의 세기, 이온화된 근접 영역, 항성 형성률, 금속 농도, ALMA로 측정된 역학적 질량 측정치와 같은 주요 관측 제약 조건을 재현하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 고적색 이동 환경에서 원시 화학 및 유체역학에 X선 피드백을 결합한 천체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• z ~ 15–20에서 어둠료 물질 미니할로 내의 순수 가스에서 직접 붕괴 블랙홀(DCBHs)의 형성을 모델링한다.
• 중앙 블랙홀에 공급되는 냉각되고 밀도가 높은 가스 유입을 시뮬레이션하여 후기 은하 형성에서 관측된 유입 메커니즘을 모방한다.
• 은하의 주변 별 형성에서 비롯된 초신성 피드백을 포함하여 블랙홀의 가스 공급과 적층을 조절한다.
• 복사 전달 및 이온화 모델링을 사용하여 J1120+0641의 관측치와 일치하는 초광활성은하핵의 빛의 세기와 이온화된 근접 영역을 계산한다.
• 중앙 1.5 kpc 영역의 시뮬레이션된 역학적 질량 프로파일을 ALMA 관측치와 비교하여 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 붕괴 블랙홀이 빅뱅 이후 약 7억 년 이내에 z ~ 7.1에서 질량이 2×10⁹ M☉인 초광활성은하핵을 충분히 빠르게 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 ULAS J1120+0641의 관측된 빛의 세기와 이온화된 근접 영역을 재현하기 위해 필요한 가스 유입 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 J1120+0641의 은하에서 발생하는 별 형성에서 비롯된 초신성 피드백이 초기 초광활성은하핵 성장에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 모델이 J1120+0641의 은하에서 관측된 항성 형성률과 금속 농도를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 시뮬레이션된 중앙 1.5 kpc 영역의 역학적 질량이 ALMA 측정치와 일치하는가?

주요 결과

• 시뮬레이션은 빅뱅 이후 약 7억 년 이내에 형성된 z ~ 7.1에서 질량이 2×10⁹ M☉인 ULAS J1120+0641의 관측된 질량을 성공적으로 재현하였다.
• 모델은 J1120+0641의 빛의 세기와 이온화된 근접 영역을 일치시켜, 냉각된 가스 유입이 이러한 극한의 초광활성은하핵을 공급할 수 있음을 확인하였다.
• J1120+0641의 은하에서의 시뮬레이션된 항성 형성률과 금속 농도는 관측 제약 조건과 일치하였다.
• 모델은 중앙 1.5 kpc 영역의 ALMA 측정된 역학적 질량을 재현하여 초광활성은하핵 시스템의 구조적 및 운동학적 성질을 검증하였다.
• 초기 별 형성에서 비롯된 초신성 피드백은 블랙홀 적층을 가장 초기 단계부터 조절하며, 과도한 성장을 방지하는 것으로 나타났다.
• 고적색 이동에서 가장 질량이 큰 초광활성은하핵은 냉각되고 밀도가 높은 가스 유입을 통해 공급되는 직접 붕괴 블랙홀을 통해 형성될 수 있으며, 이는 초기 구조 형성의 핵심 과제를 해결한다.